一种PEM电池堆低温启动系统的制作方法

技术特征：
1.一种pem电池堆低温启动系统，其特征在于，包括： pem电池堆、加热器、循环水箱、氢气瓶、燃料瓶、第一温度传感器、第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门和第七阀门；所述pem电池堆包括第一氢气入口、第一空气入口、第一氢气出口、第一空气出口、第一冷却水入口和第一冷却水出口；所述加热器包括第二氢气入口、第二空气入口、燃料入口、第二氢气出口、第二空气出口、第二冷却水入口和第二冷却水出口；所述循环水箱包括第一循环泵、输出口、第一输入口和第二输入口；所述氢气瓶通过所述第一阀门与所述pem电池堆的所述第一氢气入口连接，通过所述第二阀门与所述加热器的所述第二氢气入口连接；外界空气通过所述第三阀门与所述pem电池堆的所述第一空气入口连接，通过所述第四阀门与所述加热器的所述第二空气入口连接；所述燃料瓶通过所述第五阀门与所述加热器的所述燃料入口连接；所述循环水箱的输出口与所述pem电池堆的所述第一冷却水入口连接，所述pem电池堆的所述第一冷却水出口通过所述第六阀门与连接循环水箱的所述第一输入口连接，所述pem电池堆的所述第一冷却水出口还通过所述第七阀门与所述加热器的所述第二冷却水入口连接，所述加热器的所述第二冷却水出口与所述循环水箱的所述第二输入口连接；所述加热器的内部设置有空气腔、混合腔和换热腔，所述加热器包括空气分散器，所述空气分散器设置于所述空气腔和所述混合腔之间，所述加热器的所述第二空气入口与所述空气腔连接，所述加热器的所述第二氢气入口和所述燃料入口均开设在所述混合腔，所述混合腔的内部设置有催化剂，所述加热器的所述第二冷却水入口和所述第二冷却水出口均开设在所述换热腔；所述第一温度传感器设置在所述pem电池堆上，用于监测系统温度；其中，在系统温度低于第一预设值的情况下，打开所述第二阀门、所述第四阀门、所述第七阀门，关闭所述第一阀门、所述第三阀门、所述第五阀门和所述第六阀门，向所述加热器中通入一定量的空气和氢气，所述加热器处于第一阶段，氢气、空气和催化剂发生反应产生热量；在经历预设时长后，所述加热器的内部温度达到燃料的燃点温度的情况下，打开所述第五阀门，向所述加热器中通入燃料，所述加热器处于第二阶段，进行快速升温，通过冷却水将热量带出；在系统温度高于第二预设值的情况下，关闭所述第二阀门、所述第四阀门、所述第五阀门和所述第七阀门，打开所述第一阀门、所述第三阀门和所述第六阀门，对所述pem电池堆进行启动。2.根据权利要求1所述的pem电池堆低温启动系统，其特征在于，还包括：引射器、加湿器、散热器、负载和空气过滤器；所述引射器设置在所述第一阀门与所述pem电池堆的所述第一氢气入口之间；所述加湿器设置在所述第二阀门与所述pem电池堆的所述第一空气入口之间，所述加湿器用于对进入的空气进行加湿；所述散热器设置在所述第六阀门与连接循环水箱的所述第一输入口之间；所述负载连接在所述pem电池堆的正负极之间；所述空气过滤器一端连接外界空气，另一端通过所述第三阀门与所述pem电池堆的所述第一空气入口连接。
3.根据权利要求1所述的pem电池堆低温启动系统，其特征在于，所述第一阀门、所述第二阀门、所述第三阀门、所述第四阀门和所述第五阀门为流量可调阀门。4.根据权利要求2所述的pem电池堆低温启动系统，其特征在于，还包括：第八阀门、第九阀门、第十阀门、第十一阀门；所述pem电池堆的所述第一氢气出口通过所述第八阀门与外界连通，所述pem电池堆的所述第一空气出口通过所述第九阀门与外界连通；所述加热器的所述第二氢气出口通过所述第十阀门与外界连通，所述加热器的所述第二空气出口通过所述第十一阀门与外界连通。5.根据权利要求4所述的pem电池堆低温启动系统，其特征在于，还包括：氢气过滤器、第十二阀门和第二循环泵；所述pem电池堆的所述第一氢气出口通过所述第八阀门与所述氢气过滤器的输入端连接，所述氢气过滤器的第一输出端与外界连通，所述氢气过滤器的第二输出端通过所述第十二阀门与所述第二循环泵的输入端连接，所述第二循环泵的输出端连接在所述第一阀门与所述引射器之间。6.根据权利要求1所述的pem电池堆低温启动系统，其特征在于，还包括：压力传感器和泄压阀；所述压力传感器设置在所述氢气瓶与所述pem电池堆的所述第一氢气入口之间，用于监测管道的压力；所述氢气瓶与所述pem电池堆的所述第一氢气入口之间通过所述泄压阀与外界连通；其中，在所述氢气瓶与所述pem电池堆的所述第一氢气入口之间的压力值超过预设压力值的情况下，打开所述泄压阀进行泄压。7.根据权利要求1所述的pem电池堆低温启动系统，其特征在于，还包括：第二温度传感器和第三温度传感器；所述第二温度传感器设置在所述循环水箱的输出口处，所述第三温度传感器设置在空气入口处，对所述第一温度传感器、所述第二温度传感器、所述第三温度传感器的测量值取平均值作为系统温度。8.根据权利要求2所述的pem电池堆低温启动系统，其特征在于，还包括：相互连接的处理器和控制器；所述引射器、所述加湿器、所述散热器、所述第一阀门、所述第二阀门、所述第三阀门、所述第四阀门、所述第五阀门、所述第六阀门和所述第七阀门均与所述控制器连接。9.根据权利要求8所述的pem电池堆低温启动系统，其特征在于，所述处理器用于：根据系统工作所需的预设温度以及当前系统温度，计算所述pem电池堆启动所需热量和循环水所需热量；根据所述pem电池堆启动所需热量、所述循环水所需热量、pem电池堆通电后自身产热和加热器的混合腔与换热腔之间的换热系数，计算加热器所需产热量；根据当前温度以及燃料的燃点温度，计算第一阶段通入氢气的量以及空气的量；根据第一阶段产热量以及所述加热器所需产热量，计算第二阶段所需产热量；根据所述第二阶段所需产热量计算第二阶段通入燃料的量；根据计算的第一阶段通入氢气的量以及空气的量和第二阶段通入燃料的量，通过所述
控制器控制所述第二阀门、所述第四阀门和所述第五阀门的通断时间。10.根据权利要求9所述的pem电池堆低温启动系统，其特征在于，所述处理器具体用于：根据公式1和公式2计算所述pem电池堆启动所需热量q
s
：公式1公式2其中，n表示pem电池堆中的组件数量，其中，n表示pem电池堆中的组件数量，表示各组件的平均比热容，表示各组件的平均比热容，表示各组件的总质量，t
s
表示系统工作所需的预设温度，t0表示当前系统温度，n表示组件中的零部件的个数，c
j
表示各零部件的比热容，m
j
表示各零部件的质量；根据公式3计算所述循环水所需热量q
w
：公式3其中，c
w
表示水的比热容，ρ
w
表示水的密度，v表示所述循环水箱中冷却水的体积；根据公式4计算pem电池堆通电后自身产热q
gen
：公式4其中，1.5v为pem电池堆的理论电势，v
s
为pem电池堆电压，i
s
为pem电池堆电流密度，t为低温启动时间；根据公式5计算所述加热器所需产热量q
h
：公式5其中，η表示加热器的混合腔与换热腔之间的换热系数；根据公式6和公式7计算第一阶段通入氢气的量v
h
以及空气的量v
o
：公式6公式7其中，q1表示第一阶段产热，λ表示空气中的含氧量，qv表示单位体积的氧气与氢气发生化学反应的产热，c
h
表示加热器的比热容，m
h
表示加热器的质量，t
r
表示燃料的燃点；根据公式8和公式9计算第二阶段通入燃料的量v
r
：公式8公式8公式9其中，q2表示第二阶段产热，q
r
表示单位体积的燃料燃烧后的产热。

技术总结
本发明公开了一种PEM电池堆低温启动系统，属于直接转变化学能为电能技术领域，包括：PEM电池堆、加热器、循环水箱、氢气瓶、燃料瓶、引射器、加湿器、散热器、第一温度传感器、第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门、第七阀门和负载；在系统温度低于第一预设值的情况下，打开第二阀门、第四阀门、第七阀门，关闭第一阀门、第三阀门、第五阀门和第六阀门，向加热器中通入一定量的空气和氢气，空气、空气和催化剂发生反应产生热量；在经历预设时长后，加热器内部温度达到燃料燃点温度的情况下，打开第五阀门，快速升温，通过冷却水将热量带出；在系统温度高于第二预设值的情况下，对PEM电池堆进行启动。对PEM电池堆进行启动。对PEM电池堆进行启动。


技术研发人员：丁孝涛 于平 苏峰 黄方 刘志敏 刘丽丽 许蕾 李家喜 邹方明 王寿荣 李杰先
受保护的技术使用者：山东赛克赛斯氢能源有限公司
技术研发日：2023.02.13
技术公布日：2023/3/10